摘要

为了利用具有异养硝化和好氧反硝化能力的粪Alcaligenes 4(4)高效处理氨氮，通过对有机物和糖的厌氧降解，制备了以有机酸溶液为主要碳源的粪aligenes 4(4)。制备的溶液中总有机碳(TOC)为20049 mg/L，与8种有机酸的含碳量(20754 mg- c /L)相近，因此以TOC为指标确定废水中添加的最佳碳量。将该溶液用于高浓度的高氨废水、渗滤液和厌氧消化废水中，以补充相对于高氨浓度碳缺乏的碳。完全脱除600- 700mg - nhh中的铵_4.根据TOC碳与- n10铵的比值，4号处理的废水中-N/L均可得到。在处理过程中，8种有机酸的碳含量变化与TOC的变化有很好的相关性。实验中氨的去除率约为常规氨处理系统的100倍。

关键字

异养硝化作用;好氧反硝化作用;粪产碱杆菌属；有机酸溶液

介绍

已知许多细菌具有异养硝化和好氧反硝化能力[1-9]。使用这些细菌比传统的好氧硝化和厌氧反硝化脱氮工艺更为有利，因为在好氧条件下使用一种细菌在一个反应器中实现了氨氮去除。氨氮去除率高于传统的氨氮去除工艺但是，使用这些细菌进行的实验是在低浓度氨氮条件下进行的。

在[10]之前的研究中，我们发现Alcaligenes faecalis No.4 (No.4)有能力进行以下异养硝化和好氧反硝化，NH_4.+→ 全日空航空公司_2.哦→N_2.O→N_2.．大约40％的铵被转化为n_2.气体和60％的细胞质量。只有一小部分没有_2.- - -没有_3.-由铵产生。4号可从粗猪场废水中去除90%以上的高强度铵和化学需氧量（COD），而无需对废水进行稀释[11]。4号的铵去除率也达到3 kg NH_4.- n / m^3./处理城市污水处理厂厌氧消化污泥的一天[12]。一家化学公司的废水含有高浓度的铵（5000 mg NH_4.-N/L)， 4号处理少量BOD，平均氨氮去除率为1.1 kg- nhh_4.- n / m^3./第[13]天。这些去除率比传统处理方法高几百倍。

由于4号主要利用有机酸作为碳源，没有糖，所以在之前的实验中使用了一种化学剂柠檬酸作为碳源。在之前的[10]论文中，我们证明了4号的最佳有机碳与氨氮的比例为10，表明在这个比例下，氮源和碳源同时被消耗。在实际处理中，廉价的有机酸生产和供应是实现4号铵处理的关键。本研究以渗滤液为种子，添加糖进行厌氧发酵，得到高有机酸溶液。然后，将配制好的有机酸溶液与两种高铵低碳废水混合，平衡C/N约为10，确定配制的溶液的有效性。

材料和方法

应变

第4号的详细特性在前一篇文章[10]中进行了描述。第4号培养细胞与50%甘油溶液在小瓶中混合，并储存在-84℃下。对于每个预培养，使用一小瓶作为第4号接种物。

合成培养基

所用的合成介质在之前的论文中详细描述过，其中柠檬酸作为碳源[12,13]。而在本研究中，由于制备的有机酸溶液中的乳酸浓度在8种有机酸中最高，且消耗程度高于其他有机酸，故选用12.5 g乳酸钠作为碳源。

废水

利用B市垃圾填埋场渗滤液废水进行氨氮处理，总有机碳（TOC）和氨氮浓度分别为4310mg/L和880mg NH_4.-分别为N/L。Y市城市垃圾处理厂的厌氧消化污泥中含有约900 mg NH_4.-N/L和几乎不使用TOC处理铵态氮。低TOC主要是由于厌氧消化池产生的大部分有机酸在消化过程中转化为甲烷。

有机酸溶液的制备

将40毫升渗滤液废水和20克葡萄糖混合在1升塑料容器中，并在30℃下静置培养两周。制备溶液中的TOC和八种有机酸浓度由KURITASU分析有限公司（日本土库巴）测定。

核反应堆

使用小型罐式发酵罐（总体积为1升，工作体积为300毫升；BMJ-01PI，日本东京Able公司）。使用溶解氧（DO）传感器（日本东京Able公司SDOC-12F）和pH传感器（瑞士Bonaduz Hamilton Bonaduz AG Easyferm Plus 225）监测溶解氧（DO）浓度和pH值插入发酵罐。温度保持在30℃。搅拌速度固定在600 rpm，空气以30 mL/min的恒定速率供应。

罐式发酵罐的试验程序

4号细胞在100 mL合成培养基中预培养，置于500 mL摇瓶中，30℃，摇速100 stroke / min (spm)，共培养2天，并作为接种物。

使用罐式发酵罐进行以下四项试验:

实验1：使用4号和有机酸溶液在合成介质中进行铵处理

为验证有机酸溶液的使用，将无乳酸合成培养基125 mL、4号培养物30 mL和145 mL有机酸溶液混合，进行铵化处理。最初的NH_4.-N浓度设置为1200 mg/L使用(NH_4.)_2.所以_4.测定有机酸溶液的体积，使C/N比为10

实验二:仅用4号培养菌处理渗滤液废水

混合265ml渗滤液废水和35mL No.4培养物，并进行铵处理。

实验三:利用4号培养液和有机酸溶液处理渗滤液废水

将230 mL渗滤液废水、30 mL 4号培养液和40 mL有机酸溶液混合，进行氨处理。

实验4：使用No.4培养物和有机酸溶液治疗厌氧消化污泥的铵

对于含高氨氮的样品_4.-使用氮浓度和最少碳量的厌氧消化污泥废水。将180 mL废水、30 mL 4号培养物和90 mL有机酸溶液混合，并进行铵处理。还确定了该体积的有机酸溶液的C/N比为10。

分析方法

使用铵传感器（SNH-10，日本东京Able公司）测定铵浓度。亚硝酸盐和硝酸盐浓度通过前一篇文章[13]中所述的方法间歇性测定。通过曝气从反应器中排出的铵被截留在0.1 N H的溶液中_2.所以_4.测定了溶液和积累的铵。为测定4号细胞的数量，将取样的培养物稀释后，涂布在含有合成培养基和1.5%琼脂的合成琼脂板上，30℃孵育2天。由于之前已经证实，4号在平板上的生长速度明显快于其他来自渗滤液样本或厌氧消化污泥的固有细胞，4号表现出独特的形态特征，因此两天后平板上出现的菌落被计数为4号细胞。细胞浓度表示为cells/mL。TOC的初始值和最终值以及初始和最终样品中8种有机酸的浓度在KURITASU分析有限公司(日本Tukuba)测定。

结果与讨论

配制高浓度有机酸溶液

渗滤液废水经过2周的厌氧培养后，得到的溶液中TOC为20 049 mg/L，总有机酸含量为52 103 mg/L，其中草酸、柠檬酸、乳酸、甲酸、乙酸、丙酸、iso丁酸盐和N丁酸。由有机酸数据估算的碳含量为20,754 mg/L，见表1。由于TOC与有机酸溶液中的碳含量基本相似，因此以TOC为指标，通过平衡C/N比10来调节完全处理铵态氮所需的必要碳含量。NH的含量_4.-N在制备的有机酸溶液中检测为600mg / L，因此是NH_4.-N加入到处理样品中，以确定有机酸溶液的体积。

	内容(毫克/升)	碳内容(毫克/升)
草酸	250	64
柠檬酸盐	250	94
乳酸	41202	16481
甲酸	479	125
醋酸	4750	1900
丙酸盐	2402	613
iso-丁酸酯	250	102
N-丁酸酯	2520.	1375
全部的	52103	20754

表1:制备的有机酸溶液中有机酸的分布及碳含量。

用4号和有机酸溶液在合成介质中进行铵处理

结果如图1所示。1200年mg-NH_4.-N/L为初始浓度，对于铵的完全消耗，碳含量应为NH的10倍_4.-N.因此，向合成培养基中添加145 mL有机酸溶液，初始TOC为11300 mg/L。铵被完全处理，DO的突然增加反映了铵的耗尽和细胞合成的停止。最后的NH_4.-N为0，最终TOC为300 mg/L，表明使用了97%的TOC。初始和最终样品中8种有机酸的碳含量变化如表2所示。初始和最终碳含量分别为10460 mg-C/L和387 mg-C/L。这些值与处理期间测得的TOC值几乎相似在发酵过程中，几乎未检测到亚硝酸盐或硝酸盐，发酵罐中蒸发的铵浓度小于初始铵浓度的0.5%，初始细胞数为7×10^8.细胞/mL增至4 × 10¹⁰治疗最后阶段的细胞数/mL。

	初始碳含量(毫克/升)	最终的碳含量(毫克/升)
草酸	64	13.3
柠檬酸盐	94	9.4
乳酸	8400	296
甲酸	65	6.5
醋酸	880	10
丙酸盐	255	28
iso-丁酸酯	102	10.2
N-丁酸酯	600	13.6
全部的	10460	387

表2:图1中有机酸初始和最终碳含量的变化。

图1：合成介质与有机酸溶液混合时的除铵作用。符号:NH_4.-N(●), 溶解氧浓度（DO）(□), 和pH值(△).

仅用4号培养菌处理渗滤液废水

渗滤液样品TOC和NH含量为4,310 mg/L_4.- N 880 mg/L，与4号培养菌混合，进行铵态氮处理。来自TOC和NH_4.-N数据，预计氨处理不完全。结果如图2所示。初始NH_4.- N浓度由780 mg/L降至240 mg/L左右_4.- N，由于渗滤液废水中缺乏有机酸而未处理。

图2：用No.4培养物治疗渗滤液废水时去除铵：符号：NH_4.-N(●)、溶解氧浓度(DO)(□)、pH(△)。

使用No.4培养物和有机酸溶液浸出浸出废水的铵处理

如图2所示，大约240 mg / L NH_4.-N保持未处理。对于完全铵处理，向混合物中添加40 mL有机酸溶液并进行铵处理。结果如图3所示。初始TOC为7017 mg/L，初始NH为_4.- N浓度为659 mg/L。8种有机酸初始值为17750 mg/L，估测碳含量为6500 mg/L(表3)，最终TOC值为900 mg/L, 8种有机酸最终碳值为827 mg/L，如表3所示。观察了氨的完全去除，从而确定了使用有机酸溶液和使用TOC作为指标来确定C/N的有效性。

	初始含碳量(mg/L)	终含碳量(mg/L)
草酸	64	64
柠檬酸盐	94	94
乳酸	3600.	One hundred.
甲酸	65	65
醋酸	1680.	One hundred.
丙酸盐	842	156
iso-丁酸酯	102	102
N-丁酸酯	136	136
全部的	6500	817

表3：图3中有机酸初始和最终碳含量的变化。

图3:用4号培养液和有机酸溶液处理渗滤液废水的除氨效果。符号:NH_4.-N(●), 溶解氧浓度（DO）(□), 和pH值(△).

4号菌和有机酸溶液处理厌氧消化污泥的研究

在前面的文章中，Y市过剩的城市污水污泥产生甲烷的厌氧反应器的产物厌氧消化污泥中的高强度氨，用4号添加柠檬酸除去。在这项研究中，一个类似的样本含有900毫克的nhh_4.- N/L和20 mg/L的有机酸从Y市工厂得到。有机酸含量低，说明4号的有效碳缺乏，补充有机酸溶液是完全脱除氨的必要条件。在初始的180 mL污泥样品中，将90 mL有机酸溶液与30 mL 4号培养菌混合，监测除铵效果，如图4所示。最初的NH_4.-氮浓度635 mg/L被完全去除。有机酸的初始TOC和总碳含量分别为7030 mg/L和7314 mg/L（表4），有机酸含量的最终碳含量为348 mg/L，如表4所示。在这种情况下，消耗TOC/消耗NH_4.- n约为9.5。初始单元格号，3.8×10^8.细胞/ ml增加到1.4×10¹⁰在之前的研究[12]中，柠檬酸盐是碳源，氨的去除率为3 kg NH_4.- n / m^3./但在本研究中，去除率下降至0.8，主要是因为乳酸是主要的碳源。这表明有机酸的质量会影响No.4的活性。

	初始含碳量(mg/L)	终含碳量(mg/L)
草酸	6.4	6.4
柠檬酸盐	9.4	9.4
乳酸	6000	One hundred.
甲酸	22	6.5
醋酸	720	138
丙酸盐	181	64
iso-丁酸酯	10.2	10.2
N-丁酸酯	365	13.6
全部的	7314	348

表4：有机酸初始和最终碳含量变化如图4所示。

图4:采用4号菌和有机酸溶液对厌氧消化污泥进行除氨处理。符号:NH_4.-N(●), 溶解氧浓度（DO）(□), 和pH值(△).

4个实验的氨氮去除率如表5所示。这一比率因废水的种类而异。然而，这些速率大约是常规氨处理系统的100倍[14,15]。未使用的有机酸可以从不同的领域获得，如柑橘类水果和乳制品行业。混合有机酸生产也可以很容易地进行厌氧发酵时，过剩的有机物是可用的。TOC作为评价有机酸混合物处理能力的一项指标，简单而有用，因为大多数有机酸在4号中可用。

	经验1	经验2	经验3	经验4
氨氮去除率(kg-N/m3/day)	1．2	0．6	1．1	0．8

表格5:四次实验中氨的去除率

正如我们在先前的论文[12,13]中所示，No.4可用于在高盐水条件下除去铵[10,11]，4号细胞具有抑制植物病原体的能力[16]并减少甲烷从瘤胃产生[17]。这表明治疗后4号多细胞的再利用是可能的，这减少了废水处理后产生的过量污泥的处理问题。

结论

像粪产碱杆菌属4号主要以有机酸为碳源，通过厌氧发酵制备高浓度有机酸溶液的混合物，对4号处理高强度铵进行实际补碳处理。TOC和碳含量8有机酸在准备混合物产生几乎是相似的和TOC的变化和碳八有机酸含量的变化密切相关,有机酸溶液的体积应该添加到废水能够确定使用C / N比率。通过碳氮比调整，4号有效去除了600 ~ 700 mg nhh_4.-24小时内从两个废水中提取N/L。

通过处理两种不同的高氨氮浓度废水，调整有机酸溶液的供给量，可完全去除氨氮，并显著降低TOC。由于氨氮去除率显著高于常规脱氮系统，因此，紧凑的有机酸溶液供给量可使TOC显著降低ctor系统将有可能处理高强度铵，其中铵可以转化为氮_2.通过异养硝化和好氧反硝化对4号菌的细胞质量进行了研究。

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条信息

文章类型:研究文章

引文：Shoda M, Ishikawa Y(2016)利用粪4号碱性菌制备高强度氨处理有机酸溶液。国际污水处理2(5):doi http://dx.doi.org/10.16966/2381-5299.131

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出版历史：

收到日期:2016年8月31日

接受日期：2016年10月20日

发表日期:2016年10月25日